肖鑫,傅偉紅,葛孟清,李騰,任艷華,馬小河,劉崇懷,賈海鋒,2*,房經(jīng)貴
(1.南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院,江蘇 南京210095;2. 中國葡萄酒產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,寧夏 銀川750000;3.山西省農(nóng)業(yè)科學院,山西 晉中030600;4.中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所,河南 鄭州450000)
色澤是葡萄果實外觀品質(zhì)的重要組成部分,對于釀酒葡萄(Vinifera)而言色澤會影響其加工用途與加工的質(zhì)量?;ㄉ赵诠ぶ蟹e累的數(shù)量和其構(gòu)造的差異決定了果皮的顏色[1-3]?;ㄉ丈锖铣芍凶钪匾霓D(zhuǎn)錄因子之一是MYB轉(zhuǎn)錄因子[4]。位于第2染色體上的2個相鄰且非常相似的轉(zhuǎn)錄因子基因VvmybA1和VvmybA2可以誘導(dǎo)VvUFGT的轉(zhuǎn)錄,并參與葡萄果實著色所需的花色苷合成途徑[5]。VvmybA1a、VvmybA1b、VvmybA1c、VvmybA1SUB、VlmybA1-3、VvmybA1BEN是MYBA1基因位點的主要基因型[6]。不著色葡萄表型通常是由于VvmybA1的表達在VvmybA1a等位基因中被阻斷造成的,該等位基因包含一個逆轉(zhuǎn)座子Gret1,而Gret1位于VvmybA1編碼序列的上游,誘導(dǎo)VvUFGT突變無法正常表達,導(dǎo)致色素沉著能力喪失[7-9]。VvmybA1b和VvmybA1c都能調(diào)控UFGT合成花色苷,不同的是在VvmybA1b等位基因中,靠近VvmybA1編碼序列的5′端有一個長度約5 bp的Gret1的LTR(solo LTR)拷貝并被表達,而VvmybA1c則完全缺乏Gret1,可能是Gret1插入之前VvmybA1的原始序列[10-11]。
VvmybA2與VvmybA1在染色體上位置相鄰,在一個雜交后代中形成了一個用漿果顏色隔離的位點。在VvmybA2的白色果實中等位基因VvmybA2w的編碼區(qū)存在2個SNP位點(CGA突變成CTA以及CA的缺失),一個導(dǎo)致氨基酸取代,另一個導(dǎo)致一種更小的蛋白質(zhì)的框架移位。瞬時試驗分析表明,這2種突變都使該調(diào)控系統(tǒng)失去了啟動花青素生物合成的能力[4]。此外,在歐美雜交種的少數(shù)品種中例如‘巨峰’MYBA2位點還有VlmybA2和VlmybA1-2兩個具有調(diào)控果實著色功能的等位基因,并且它們的克隆數(shù)存在較大差異[11-12]。
單倍型(haplotypes)可以定義為連鎖階段常見等位基因的組合,通常位于相鄰位點(即從單親遺傳的等位基因)[8]。在具有自交系統(tǒng)的植物物種中,單倍型可以直接從基因型確定,而雜合子則需要在標記之間進行相位檢測[13]。將具有著色功能的等位基因單倍型命名為C(HapC),將非著色功能等位基因命名為單倍型A(HapA)[14]。HapC可分為2個單倍群:N(HapC-N)和Rs(HapC-Rs)。HapC-N含有功能等位基因VvmybA1c和VvmybA2r,HapC-Rs含有功能等位基因VvmybA1c和非功能等位基因VvmybA2w[15]。此外,還有HapG(VvmybA1a和VvmybA2r)和HapH(VvmybA1b和VvmybA2r)等單倍群[14-15]。歐美雜交種葡萄中有4個與MYB相關(guān)的功能基因,分別為VlmybA1-1、VlmybA1-2、V1mybA1-3和VlmybA2[12]。VlmybA1-2和VlmybA1-3被命名為單倍型E1(HapE1),VlmybA2和VlmybA1-3被命名為單倍型E2(HapE2)。研究發(fā)現(xiàn),歐美雜交種葡萄的大多數(shù)果實顏色遺傳基因位點由HapE1和HapA單倍型組成,而具有2種功能單倍型的葡萄幼果果實花色苷含量高于僅具有單一功能單倍型的葡萄幼果果實[14]。但釀酒葡萄的單倍型組成與果皮著色之間關(guān)系的相關(guān)研究尚未見報道。因此,本研究分析了72個釀酒葡萄品種的著色情況,包括國內(nèi)自育品種和國外引進的多個優(yōu)良品種,對我國目前大量栽培的優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄品種的單倍型和色澤進行系統(tǒng)的調(diào)查和鑒定,對優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄品種的選育進行探索,為確立釀酒葡萄育種目標提供科學有效的依據(jù)和指導(dǎo),并建立高效的品質(zhì)性狀特別是顏色性狀育種體系。
供試材料為72個釀酒葡萄品種,其中65個品種由中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所葡萄種質(zhì)資源圃提供,7個品種由山西省農(nóng)業(yè)科學院果樹研究所提供。72個品種包括48個歐亞種、19個歐美雜交種以及5個歐山雜交種。采集各品種的新梢嫩葉用蒸餾水清洗干凈后吸干多余水分,液氮速凍后儲存于-80 ℃冰箱中。釀酒葡萄品種的編號、名稱及顏色見表1,田間果穗外觀見圖1。
表1 供試釀酒葡萄品種及相關(guān)屬性Table 1 Test wine grape varieties and related attributes
圖1 72個釀酒葡萄品種的田間果穗色澤圖Fig.1 Fruit color chart of 72 wine grape varieties1~72同表1。1-72 are the same as Table 1. 下同。The same as follows.
將釀酒葡萄葉片從-80 ℃取出,迅速研磨成粉末,采用改良版CTAB法[16]提取DNA。用12 g·L-1瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質(zhì)量。用核酸蛋白測定儀檢測濃度,將DNA稀釋,使最終濃度為30 ng·μL-1,于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
引物設(shè)計參考糾松濤[17]的方法。所需引物和測序工作由通用生物系統(tǒng)(安徽)有限公司負責完成。引物序列見表2。
表2 PCR擴增所用引物序列Table 2 Primer sequences used for PCR amplification
PCR反應(yīng)體系25 μL:2×Hieff?PCR Master Mix(With Dye)12.5 μL,ddH2O 9.5 μL,上、下游引物各 1.0 μL,DNA 1.0 μL。3次重復(fù)。
本試驗中使用大腸桿菌(Escherichiacoli)DH5α(北京全式金)菌株,克隆載體為pMD 19-T(TaKaRa生物工程(大連)有限公司)。
PCR擴增按照DNA凝膠回收試劑盒(AXYGENA)說明書進行。連接反應(yīng)按照pMD 19-T載體試劑盒說明書進行操作。連接反應(yīng)體系(10 μL):回收片段 4.5 μL,Solution I 5.0 μL,pMD 19-T 0.5 μL,16 ℃反應(yīng)過夜。
連接與轉(zhuǎn)化:將10 μL連接反應(yīng)體系加入至30 μL DH5α感受態(tài)細胞中,冰上放置30 min。42 ℃熱激90 s后,再在冰中放置1~2 min。加入890 μL LB培養(yǎng)基,37 ℃振蕩培養(yǎng)60 min。在含有Amp的LB瓊脂平板培養(yǎng)基上培養(yǎng)12~15 h,形成單菌落。
每組產(chǎn)物挑取12個單菌落,利用LB液體培養(yǎng)基活化搖菌8 h后進行菌液PCR檢測,并將菌液送通用生物系統(tǒng)(安徽)有限公司進行測序,每個菌液樣品測序3次。測序后的序列使用BioXM軟件去除載體部分,并根據(jù)序列的熒光吸收峰圖信息進行堿基正確性的檢查。利用NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)上的BLAST和DNAMAN 6.0軟件進行比對分析。
2.1.1 釀酒葡萄葉片DNA提取質(zhì)量檢驗72份釀酒葡萄DNA的瓊脂糖電泳膠圖如圖2所示。為保證72個葡萄品種MYBA1和MYBA2兩個基因位點等位基因擴增結(jié)果的準確性和真實性,利用看家基因KyActin1對稀釋后的DNA樣品進行擴增和優(yōu)化。由圖3可見:72個釀酒葡萄品種的DNA都能成功擴增出相應(yīng)的KyActin1基因的序列片段,并能顯示出清楚、單一的瓊脂糖電泳條帶,表明選取的DNA樣品的濃度及純度符合PCR的要求。
圖2 72個釀酒葡萄品種DNA的瓊脂糖電泳膠圖Fig.2 DNA agarose gel electrophoresis maps of 72 wine grape varieties
圖3 72個釀酒葡萄品種內(nèi)參基因KyActin1擴增條帶Fig.3 Amplified bands of internal reference gene KyActin1 from 72 wine grape varietiesM. DNA Marker(2 000 bp). 下同。The same as follows.
2.1.2VvmybA1a和VvmybA1BEN鑒定結(jié)果如圖4所示:在56個釀酒葡萄品種中能檢測到VvmybA1a,這其中有42個品種為歐亞種,12個為歐美雜交種,2個為歐山雜交種。由于上游引物F1位于在逆轉(zhuǎn)座子Gret1區(qū)域,下游引物R1位于VvmybA1保守區(qū),所以其余16個品種中未檢測到VvmybA1a說明這16個葡萄品種中VvmybA1基因的啟動子區(qū)域無逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(Gret1)的插入。同時72個葡萄品種中均未檢測到長度大于2 000 bp的條帶,說明均不存在VvmybA1BEN。
圖4 72個釀酒葡萄品種中VvmybA1a和VvmybA1BEN 擴增條帶Fig.4 Amplified bands of VvmybA1a and VvmybA1BEN in 72 wine grape varieties
2.1.3VvmybA1b、VvmybA1c、VvmybA1SUB和VlmybA1-3鑒定結(jié)果由圖5可見:在所有的供試樣品內(nèi),僅在‘小紅玫瑰’(36)1個品種中檢測到VvmybA1b。檢測到長度約為1 000 bp條帶的有14個品種。由于VvmybA1SUB和VlmybA1-3的PCR擴增條帶長度分別為1 035 bp和999 bp,無法通過電泳區(qū)分VvmybA1SUB和VlmybA1-3這2個等位基因,所以需經(jīng)膠回收步驟后,將1 000 bp左右的條帶連接pMD19-T 載體,轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細胞后,對活化單菌落進行測序。測序結(jié)果顯示‘甲州’(23)、‘梅鹿輒’(26)、‘晚紅蜜’(31)這3個品種1 000 bp左右的條帶為VvmybA1SUB。
圖5 72個釀酒葡萄品種中VvmybA1b、VvmybA1c、VvmybA1SUB和VlmybA1-3擴增條帶Fig.5 Amplified bands of VvmybA1b,VvmybA1c,VvmybA1SUB and VlmybA1-3 in 72 wine grape varieties
2.1.4VlmybA1-2的鑒定結(jié)果如圖6所示:在72個釀酒葡萄品種中,有6個品種中檢測到大小為 250 bp 左右的條帶,由此可直接將包含VlmybA1-2基因的品種鑒定出來。這6個品種均為歐美雜交種,這與Kobayashi等[7,12]研究結(jié)果一致。
圖6 72個釀酒葡萄品種中VlmybA1-2擴增條帶Fig.6 Amplified bands of VlmybA1-2 in 72 wine grape varieties
2.1.5VlmybA2的鑒定結(jié)果如圖7所示:在所有的供試樣品中,僅有3個葡萄品種中檢測到VlmybA2,獲得的 PCR 擴增條帶大小是 150 bp 左右?!邪好蹣贰?51)、‘巴柯’(52)、‘鄭果16號(T)’(65)這3個葡萄品種均來自歐美雜交種,這也與Kobayashi等[7,12]研究結(jié)果一致。
圖7 72個釀酒葡萄品種中VlmybA2擴增條帶Fig.7 Amplified bands of VlmybA2 in 72 wine grape varieties
2.1.6VvmybA2w和VvmybA2r的鑒定結(jié)果由于MYBA2基因位點2個等位基因VvmybA2w和VvmybA2r的編碼區(qū)有2個SNP位點(CGA突變成CTA,CA的缺失),所以不能根據(jù)特異性引物序列直接區(qū)別,需要在紫外燈照射條件下將含有目的片段的瓊脂糖凝膠切下后連接pMD19-T 載體,轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細胞后,對活化單菌落進行測序。結(jié)果(圖8)顯示,除了‘北醇’(68)和‘北紅’(69)外,其余70個品種中都檢測到了VvmybA2r或VvmybA2w,其中29份含有VvmybA2r,58份含有VvmybA2w,二者都含的有20個品種。
圖8 72個釀酒葡萄品種中VvmybA2w和VvmybA2r擴增條帶Fig.8 Amplified bands of VvmybA2w and VvmybA2r in 72 wine grape varieties
葡萄果皮著色的MYB基因位點的10種單倍型形式是由6個MYBA1基因位點的等位基因(VvmybA1a、VvmybA1BEN、VvmybA1b、VvmybA1c、VvmybA1SUB、VlmybA1-3)與4個MYBA2基因位點的等位基因(VvmybA2w、VvmybA2r、VlmybA2、VlmybA1-2)構(gòu)成[18]。由表3可知:本試驗中有A、B、C-Rs、E1、E2、F、C-N、G這8種單倍型,共組成了16種單倍型組合類型:A、G、AB、AC-N、AC-NE1、AC-Rs、AE1、AE1E2、AF、C-N、C-NE1、C-Rs、CE1、C-RsF、C-RsE1、GF。進一步分析可知,23個不著色品種有2種單倍型:A(22個品種)和AF(1個品種);49個著色品種中單倍型最多的為AC-N,有15個品種,其次為C-N,有8個品種,而單倍體組成類型為AB、AE1E2、C-NE1、C-RsF和GF的各只有1個品種。
表3 不同種群釀酒葡萄的單倍型組合分布Table 3 Distribution of haplotype combinations of different populations of wine grapes
由表3可以看出:在48個歐亞種釀酒葡萄品種中,共有10種單倍型組合,包括16個單倍型為A和14個單倍型組合為AC-N的品種,分別占全部歐亞種葡萄的33.33%和29.17%。31個歐亞種著色的葡萄中有14個單倍型組合為AC-N的品種,表明歐亞種著色葡萄品種大部分單倍型組合為AC-N。此外,19個歐美雜交種釀酒葡萄的單倍體組合共有7種,其中有6個單倍型為A的品種和4個單倍型為AE1的品種,占歐美雜交種葡萄總數(shù)的31.58%和21.05%。在13個歐美雜交種中,AE1、C-N和C-RsE1這3種單倍型組合占歐美雜交種著色葡萄總數(shù)的52.63%,而AC-N、C-Rs和AE1E2這3種組合各僅有1個。
在72個釀酒葡萄品種中,有56個品種中能檢測到VvmybA1a,表明VvmybA1a廣泛存在于鑒定的葡萄種質(zhì)材料中,也說明在葡萄進化以及人為選擇過程中VvmybA1a被很好地保存下來;在前人的研究中僅在‘紅高’葡萄中檢測到VvmybA1BEN基因的存在,這是由于VvmybA1a和VvmybA3發(fā)生同源重組產(chǎn)生了新的具有著色調(diào)控功能基因[19],而在本試驗的72個品種中均未檢測到VvmybA1BEN基因的存在,因此可以判斷該基因在釀酒葡萄中不常見。
在72個釀酒葡萄品種中有39個品種檢測到VvmybA1c,其中歐亞種最多,為25個,歐美雜交種有 9個,歐山雜交種有5個。進一步觀察比較圖4和圖5可發(fā)現(xiàn),‘多米納’(13)‘黑佳美(19)’‘蛇龍珠’(28)等16個品種無VvmybA1a與VvmybA1b相對應(yīng)的PCR 擴增產(chǎn)物,僅檢測到VvmybA1c的 PCR 擴增片段,由此可以得出以上16個品種MYBA1基因位點組合類型是VvmybA1c的純合體。并且在田間調(diào)查時,可以看到這16個品種成熟果皮顏色都是藍紫色或紫黑色,著色均較深,顏色深度超過大部分該位點為VvmybA1a與VvmybA1b或VvmybA1a與VvmybA1c雜合狀態(tài)的品種。
VlmybA1-2、VlmybA2和VlmybA1-3這3個基因在歐亞種中都不存在,在部分歐美雜交種中存在,而VlmybA1-3這一基因存在于全部5份歐山雜交種中,推測這5份歐山雜交種的父母本有其一或者都與歐美雜交種存在血緣關(guān)系。
本研究還發(fā)現(xiàn)有1份種質(zhì)材料的單倍型與果皮顏色組成之間沒有較大的規(guī)律性,‘山西80號’具有VvmybA1c這一可以調(diào)控果皮顏色的基因,并且其果皮顏色應(yīng)為琥珀黃,但在田間調(diào)查時其果實顏色卻為紫黑色,說明環(huán)境條件可以對葡萄的著色情況造成影響。
經(jīng)過對葡萄單倍型與果皮著色之間的分析能夠得出,含有HapC-N這一單倍型葡萄的果皮大多數(shù)為紫黑色或藍紫色,是著色品種的單倍體組成類型中含有的最多的組合,有26個品種(包括19個歐亞種、4個歐美雜交種和3個歐山雜交種),說明其在歐亞種群著色葡萄品種中存在普遍。另外,單倍型數(shù)量的多少與果皮顏色深淺沒有直接關(guān)系,僅有一個單倍型的品種,如‘卡拉’(24)的果皮顏色為紫黑色,而含有2個以上單倍型的品種,如‘紅玫瑰’(20)的果皮顏色為紫紅色,但釀酒葡萄品種總體上呈現(xiàn)出含有的著色功能基因越多則果皮顏色越深的規(guī)律,這與前人的研究一致[20]。歐亞種著色葡萄品種中數(shù)量最多的單倍型組合為AC-N,歐美雜交種著色葡萄品種中數(shù)量較多的單倍型組合為AE1。大多數(shù)歐亞種著色葡萄的單倍型組合為AC-N,而歐美雜交種葡萄中的AC-N、C-Rs和AE1E2的單倍型組合數(shù)量相當。在所有鑒定的釀酒葡萄品種中,其中有1個品種的基因型與單倍型和果實色澤不切合?!轿?0號’的品種顏色屬于白色,C-Rs構(gòu)成其單倍型,含有調(diào)整著色功能基因VvmybA1c,但是果實卻不著色,表明環(huán)境影響可能造成了基因修飾等現(xiàn)象,導(dǎo)致‘山西80號’葡萄著色出現(xiàn)異常。
使葡萄果皮著色的主要成分是花色苷,花色苷在果皮中的比例以及累積水平的不同使葡萄果皮呈現(xiàn)出紅色、紫色或黑色[21-22]。研究發(fā)現(xiàn),不同葡萄品種的果實著色與否主要取決于2號染色體上2個相鄰的控制著色的MYB基因位點的基因型及其組成的單倍型[4,7,23-24]。葡萄2號染色體上2個相鄰的轉(zhuǎn)錄因子VvmybA1和VvmybA2,能夠誘導(dǎo)葡萄類黃酮子3-O-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶基因(UFGT)的轉(zhuǎn)錄,參與花色苷合成途徑,通過調(diào)節(jié)UFGT的表達從而調(diào)控花色苷的生物合成[4-5,7]。由于葡萄果皮著色性狀是遺傳性狀,雖然栽培技術(shù)、環(huán)境條件及激素等因素對葡萄果皮的著色情況有一定程度的影響[25],但花色苷生物合成相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因與調(diào)節(jié)基因共同決定了葡萄是否著色、色澤種類以及著色深淺等。其中,MYB轉(zhuǎn)錄因子作為花色苷合成途徑重要的調(diào)節(jié)基因,通過調(diào)節(jié)(促進或抑制)花色苷合成相關(guān)酶的基因表達,來控制其生物合成進而影響果實著色。
研究表明,VvmybA1a、VvmybA1b、VvmybA1c、VvmybA1SUB、VlmybA1-3、VvmybA1BEN是MYBA1位點的基因型[6],不著色即白色葡萄表型是與VvmybA1位點啟動子上的一個逆轉(zhuǎn)座因子Gret1的純合存在有關(guān)[19],因為VvmybA1a是伴隨葡萄進化中VvmybA1編碼序列的上游啟動子區(qū)域插入一個逆轉(zhuǎn)座子Gret1(retrotransposon 1)導(dǎo)致基因表達受阻,使得葡萄果皮不能合成花色苷,因而VvmybA1a是沒有功能的[1,19,24]。VvmybA1BEN等位基因是由VvmybA1a和VvmybA3的同源重組產(chǎn)生的,它的出現(xiàn)可調(diào)控果實的著色恢復(fù),改變果實花青素的含量及成分。已有研究證實‘紅高’和‘黑玫瑰’葡萄中可檢測到VvmybA1BEN基因的存在[19]。本研究中VvmybA1SUB同時出現(xiàn)在了白色和有色品種中,因此推測VvmybA1SUB可能沒有參與調(diào)控花色苷合成,該結(jié)果也驗證了前人在起源歐亞種東方品種群的研究內(nèi)容,包括‘無核白’‘甲州’‘龍眼’和‘牛奶’4個品種[14,22]。VvmybA1b基因僅在‘小紅玫瑰’1個品種中檢測到,表明VvmybA1b基因型在MYBA1基因位點中不太常見,同時,‘小紅玫瑰’葡萄的果實顏色為紫紅色,這與前人研究[7]發(fā)現(xiàn)具有VvmybA1b基因的‘奧山紅寶石’(鮮紅色)、‘安蕓皇后’(粉紅色)、‘紅羅莎里奧’(鮮紅色)、‘范訥薩無核’(紫紅色)等葡萄的果皮著色情況不完全一致,可能是含有該基因的葡萄品種在著色過程中對環(huán)境的響應(yīng)不同造成的,也可能是由于品種不同,對與花色苷合成相關(guān)的基因表達存在差異。
MYBA2位點主要有VlmybA1-2、VlmybA2、VvmybA2w和VvmybA2r這4種基因型,其中VlmybA1-2和VlmybA2已被證實只在歐美雜交種葡萄中出現(xiàn)[7,12],本研究的試驗結(jié)果也證實了這一點。VvmybA2w和VvmybA2r在所有種群中都存在,不同的是VvmybA2w由于編碼區(qū)存在SNP位點,使該基因失去調(diào)控果實著色能力,而VvmybA2r通過形成VvmybA2r-VvMYCA1-VvWDR1復(fù)合產(chǎn)物,正調(diào)控花青素的合成,且VvWDR1通過與VvmybA2r-Vvmyca1復(fù)合物的相互作用,促進花青素的積累,調(diào)控果實著色[20]。
本研究中的72個釀酒葡萄品種中98.7%的葡萄種質(zhì)的基因型和單倍型組成與其果實著色情況相吻合,其中葡萄果皮顏色多為紅色或是紫紅色的單倍型構(gòu)成中主要出現(xiàn) HapB 或者 HapC-Rs,而含有 HapE1、HapE2 或 HapC-N 的葡萄果皮顏色趨于黑色。此外,歐亞種著色葡萄品種中數(shù)量最多的單倍型組成類型是AC-N,而歐美雜交種著色葡萄品種中單倍型組成類型數(shù)量較多是AE1,與前人的研究基本吻合[20]。另外,在5個歐山雜交種品種中,CE1與AC-NE1均為2個,C-NE1為1個,說明CE1為歐山雜交種中主要的單倍型組成類型。但單倍型數(shù)量以及組合與有色品種果皮顏色的關(guān)系仍需進一步深入研究。